Stärkere Papiertüten – wiederholt wiederverwendet und dann für Biokraftstoff recycelt – könnten die Zukunft sein

19. April 2023

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von Jeff Mulhollem, Pennsylvania State University

Während die Welt nach Möglichkeiten sucht, den Einsatz von Kunststoffen wie Einweg-Plastiktüten zu reduzieren, zeigt eine neuartige Studie von Forschern der Penn State University einen Prozess, mit dem Papiertüten stärker gemacht werden können – insbesondere, wenn sie nass werden –, um sie zu einer praktikableren Alternative zu machen.

Laut dem Forscher Daniel Ciolkosz, außerordentlicher Forschungsprofessor für Agrar- und Biotechnik, schlägt die Studie ein Verfahren zur Herstellung von Papiertüten vor, die haltbar genug sind, um mehrfach verwendet zu werden, und dann durch eine alkalische Behandlung chemisch zersetzt und als Quelle für die Biokraftstoffproduktion verwendet zu werden.

„Wenn die primäre Verwendung dieser Papierprodukte endet, werden sie durch die Verwendung für sekundäre Zwecke nachhaltiger“, sagte er. „Recycling und die Reduzierung von Papierabfällen tragen auch dazu bei, die Gesamtmenge an Feststoffabfällen, die auf Mülldeponien landen, zu reduzieren. Dies ist ein Konzept, das unserer Meinung nach von der Gesellschaft berücksichtigt werden sollte.“

Der leitende Forscher Jaya Tripathi, der in diesem Frühjahr seinen Doktortitel in bioerneuerbaren Systemen an der Penn State University abschließt und eine Stelle am Joint BioEnergy Institute in Kalifornien angenommen hat, hat ein innovatives Verfahren entwickelt, bei dem Zellulose in Papier torrefiziert oder in Sauerstoff geröstet wird -benachteiligte Umgebung, um die Zugfestigkeit bei Nässe erheblich zu erhöhen.

Papiertüten seien eine beliebte Alternative zu Plastiktüten, um die durch die Verwendung von Kunststoffen verursachten Umweltauswirkungen zu verringern, erklärte sie. Allerdings hätten Papiertüten aufgrund ihrer geringen Haltbarkeit, insbesondere wenn sie nass sind, eine kurze Lebensdauer. Und eine Papiertüte müsse mehrmals wiederverwendet werden, um ihr Treibhauspotenzial unter das der herkömmlichen Tasche aus hochdichtem Polyethylen zu senken, fügte Tripathi hinzu.

„Die Wiederverwendung hängt hauptsächlich von der Festigkeit des Beutels ab, und es ist unwahrscheinlich, dass ein typischer Papierbeutel aufgrund seiner geringen Haltbarkeit bei Befeuchtung so oft wie nötig wiederverwendet werden kann“, sagte sie. „Der Einsatz teurer chemischer Prozesse zur Verbesserung der Nassfestigkeit verringert die umweltfreundlichen und kosteneffizienten Eigenschaften von Papier für die kommerzielle Anwendung. Daher besteht Bedarf an der Erforschung nichtchemischer Techniken zur Erhöhung der Nassfestigkeit von Papiertüten. Torrefaction könnte die Antwort sein.“

Da die Torrefizierung die Glukoseausbeute im Papier verringerte, behandelte sie das Papier anschließend mit einer Natriumhydroxidlösung, auch bekannt als Lauge oder Natronlauge, die die Glukoseausbeute erhöhte und es zu einer besseren Quelle für die Biokraftstoffproduktion machte.

In kürzlich in Resources, Conservation and Recycling veröffentlichten Ergebnissen berichteten die Forscher unter Verwendung von Filterpapier als Medium, dass die Nasszugfestigkeit des Papiers nach 40-minütiger Torrefizierung bei 392 um 1.533 %, 2.233 %, 1.567 % und 557 % zunahm Grad Fahrenheit, 428 F, 464 F bzw. 500 F.

Die Glukoseausbeute nahm mit zunehmendem Schweregrad der Torrefizierung ab, aber nach der Behandlung torrefizierter Papierproben mit einer alkalischen Natriumhydroxidlösung stieg die Glukoseausbeute, stellten die Forscher fest. Beispielsweise betrug die Glucoseausbeute von rohem Filterpapier 955 mg/g Substrat, während sie bei der gleichen, bei 392 F torrefizierten Papierprobe 690 mg/g Substrat betrug. Die Glucoseausbeute stieg auf 808 bzw. 933 mg/g Substrat mit 1 % bzw. 10 % alkalischer Behandlung.

Die Notwendigkeit eines Konzepts, wie es die Forscher gezeigt haben, um Plastiktüten zu ersetzen, sei offensichtlich, betonte Tripathi. Nach Angaben des UN-Umweltprogramms werden weltweit jährlich 5 Billionen Plastiktüten produziert. Es kann bis zu 1.000 Jahre dauern, bis diese Säcke vollständig zerfallen. Die Amerikaner werfen jedes Jahr 100 Milliarden Säcke weg – das entspricht der Entsorgung von fast 12 Millionen Barrel Rohöl.

„Durch die Umstellung auf stärkere, wiederverwendbare Einkaufstüten aus Papier könnten wir einen Großteil dieses Abfalls vermeiden“, sagte Tripathi. „Die Auswirkungen einer Technologie wie der, die wir in dieser Forschung demonstriert haben – wenn sie perfektioniert werden kann – einschließlich der Verwendung der abgenutzten Säcke als Substrat für die Biokraftstoffproduktion – wären enorm.“

Wie bei vielen wissenschaftlichen Entdeckungen erfuhr Tripathi durch Zufall von der Synergie von Torrefizierung und alkalischer Behandlung zur Steigerung der Papierfähigkeit.

„Ich habe mich mit etwas anderem befasst und untersucht, wie sich die Torrefektion auf die Glukoseausbeute von Zellulose zur Verwendung als Biokraftstoffsubstrat auswirkt“, sagte sie. „Aber ich bemerkte, dass die Festigkeit des Papiers zunahm, je mehr wir die Zellulose torrefizierten. Das ließ mich denken, dass es sich wahrscheinlich gut für Verpackungen eignen würde, eine völlig andere Anwendung.“

Mehr Informationen: Jaya Tripathi et al., Torrefiziertes Papier als Verpackungsmaterial und anschließend als Bioethanolsubstrat: Synergie von Torrefizierung und alkalischer Behandlung für mehr Nutzen, Ressourcen, Konservierung und Recycling (2023). DOI: 10.1016/j.resconrec.2023.106882